移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化研究.pdf

1、隨著科技進(jìn)步和社會(huì)的飛速發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人在助老助殘、迎賓看護(hù)等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與人類的接觸也越來(lái)越多，使人們從中受益良多。本文的主要目的是為移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)一款機(jī)械臂，并通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化和基于性能指標(biāo)的尺寸優(yōu)化對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其具有高剛度、輕質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)靈活且平穩(wěn)的特點(diǎn)。
　　首先，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求結(jié)合人體工程學(xué)理論確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)機(jī)械臂的各種構(gòu)型進(jìn)行分析，并以全局相對(duì)可操作度值為指標(biāo)求得機(jī)械臂的最優(yōu)構(gòu)型。根據(jù)人體測(cè)量

2、學(xué)理論，確定機(jī)械臂的尺寸和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍，使其具有與人相似的靈活性。在此基礎(chǔ)上確定了驅(qū)動(dòng)方式、計(jì)算并利用仿真求得驅(qū)動(dòng)力，為驅(qū)動(dòng)模塊的選型提供依據(jù)、確定了走線方式、完成了大小臂等連接桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并從拓?fù)漭p量化和材料輕量化兩個(gè)途徑，實(shí)現(xiàn)大臂及整個(gè)機(jī)械臂的輕量化，完成了模塊化機(jī)械臂虛擬樣機(jī)的構(gòu)建，使其具有高剛度、輕質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)。
　　其次，對(duì)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人機(jī)械臂所要完成的動(dòng)作類型進(jìn)行分析，結(jié)合機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)

3、行簡(jiǎn)化，建立簡(jiǎn)化后機(jī)械臂的D-H參數(shù)模型，并進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。求解其雅克比矩陣，為基于雅克比矩陣性能指標(biāo)的提出奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；求取機(jī)械臂的工作空間，為評(píng)價(jià)機(jī)械臂尺寸優(yōu)化效果提供標(biāo)準(zhǔn)。
　　再次，根據(jù)移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合和功能特點(diǎn)，提出了評(píng)價(jià)機(jī)械臂性能的最大工作空間距離指標(biāo)、靜剛度性能指標(biāo)和全域速度波動(dòng)性能指標(biāo)。通過(guò)優(yōu)化目標(biāo)的耦合性分析確定了優(yōu)化目標(biāo)的耦合關(guān)系，進(jìn)而確定最大工作空間距離性能指標(biāo)和全域速度波動(dòng)性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)；

4、通過(guò)優(yōu)化變量的靈敏度分析確定了優(yōu)化目標(biāo)對(duì)各優(yōu)化變量的敏感程度，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求及實(shí)際條件確定了約束條件，在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)械臂尺寸優(yōu)化的數(shù)學(xué)函數(shù)模型。尺寸優(yōu)化函數(shù)模型多目標(biāo)多約束的特點(diǎn)，為優(yōu)化算法的選取提供了條件。
　　最后，根據(jù)優(yōu)化函數(shù)模型多目標(biāo)多約束的特點(diǎn)，決定采取基于Pareto占優(yōu)原則選擇最優(yōu)解的多目標(biāo)粒子群算法作為求解方法。針對(duì)粒子群算法在多目標(biāo)求解中存在的不足，對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，并引入時(shí)間飛行因子，提出了改進(jìn)的多目標(biāo)粒子